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Analisi dei campioni di PMA4/PMMA

È ormai noto da tempo che, a seconda dei parametri con cui vengono sin- tetizzati, i copolimeri a blocchi possono dare luogo alla formazione di domini viscoelastici [97], ovvero regioni con modulazioni delle caratteristiche mecca- niche superciali con dimensioni trasversali che generalmente sono dell'ordine delle decine di nanometri. Ci si aspetta quindi che una mappa di contrasto di fase della supercie dei nostri campioni presenti delle strutturazioni su questa scala dimensionale.

Le scansioni presentate in questo paragrafo sono state eseguite con l'ap- parecchiatura descritta nelle pagine precedenti, cioè con un AFM bimodale in modalità tapping a rivelazione non ottica. Il dispositivo che attua lo sposta- mento del campione è un traslatore piezoelettrico commerciale a tre direzioni della Physik Instrumente, modello P733.3. Esso consente di muovere il cam- pione rispetto alla sonda nelle tre direzioni x, y e z con uno spostamento massimo di 100 µm per le direzioni x − y (sul piano della scansione) e di 10 µm per la direzione z (verticale). Il traslatore è pilotato da un amplicato- re ad alta tensione Physik Instrumente serie E500 (occorrono dierenze di potenziale di alcune centinaia di volt per ottenere gli spostamenti utili), il quale riceve come segnale di controllo tre tensioni da 0 a 10 V (una per as- se) provenienti dal controller del microscopio. Aspetto molto importante del traslatore è la possibilità di funzionare in modalità closed loop. In pratica esso integra dei sensori (capacitivi) di posizione che misurano lo spostamento, facendo in modo che esso sia pari al valore desiderato. La risoluzione spa- ziale dichiarata è di 0.3 nm per x, y e 0.2 nm per z. Il principale vantaggio rispetto ai traslatori piezoelettrici a circuito aperto sta nella forte riduzione dei fenomeni non lineari collegati all'isteresi piezoelettrica, che impediscono spesso di raggiungere precisioni di posizionamento elevate. Lo svantaggio è rappresentato dai tempi di risposta del posizionatore, che sono abbastanza lunghi (la banda passante eettiva del traslatore è minore di 10 Hz). Di conseguenza è necessario operare con lentezza: tipicamente occorrono alcuni secondi per registrare una linea di scansione.

Nel nostro strumento il feedback è adato all'elettronica del controller RHK SPM 1000, che permette di agire su alcuni parametri, come il gua- dagno e la costante tempo, che vanno aggiustati manualmente in modo da avere la massima stabilità ed evitare, per quanto possibile, l'innesco di auto- oscillazioni. Il controller permette anche di eettuare la procedura di approc- cio secondo il set point desiderato (l'approccio grossolano avviene con motori passo-passo) e di impostare alcuni parametri di scansione quali l'oset, la scan area, la risoluzione in pixels, la velocità di scansione. etc.

Il segnale alla frequenza di risonanza fondamentale è inviato alla tuning fork da un generatore Stanford Research DS345, mentre un generatore Wa- vetek 184 provvede ad inviarle il segnale alla frequenza RF. Gli amplicatori lock-in impiegati per rilevare fase e ampiezza della forzante fondamentale e della RF sono uno Stanford Research SR830 DSP e uno Stanford Research SR844 RF, rispettivamente.

Un esempio delle mappe raccolte è presentato in Fig. 7.10. Tutte le im- magini (così come quelle che seguono) sono basate su una matrice di 256×256 pixels. La gura riporta diverse mappe, relative rispettivamente a topogra- a (a), fase (b), ampiezza RF (c), fase RF (d) del campione mor0104.

In questa scansione sono state impiegate due diverse frequenze per forzare l'oscillazione del sistema tuning fork e punta: la prima a 25,515 kHz e la seconda a 186,7 kHz. Si noti, come anticipato sopra, che il rapporto ω0/ωRF

è di circa 1/7. Le ampiezze delle due forzanti, che sono miscelate prima di essere inviate a pilotare il piezo di dithering, sono state aggiustate in modo da evitare auto oscillazioni del sistema, mantenendo una buona risoluzione spaziale. Per la scansione presentata le due ampiezze erano rispettivamente 40 mV e 70 mV. Le immagini in Fig. 7.10 sono state trattate con il pro- gramma WSxM - versione 12.4 - adoperando su ognuna di esse gli stessi ltri (atten e smooth) descritti nel Capitolo precedente.

Figura 7.10: Mappe ottenute durante la scansione (2µm × 2µm) di un campione 10b90. Parametri di scansione: ω0 = 25, 515 kHz, A0 = 40 mV, ωRF = 186, 7 kHz, ARF = 70 mV, set point=15%. I vari pannelli si riferiscono a topograa (a), fase (b), ampiezza RF (c), fase RF (d).

La Fig.7.10(a) (scansione mor0104_12) mostra la topograa di un cam- pione di PMA4/PMMA 10b90 a blocchi di spessore 250 nm; la scala di falsi colori riportata accanto all'immagine è data in nm, usando la calibrazione nominale della tavoletta piezoelettrica di scansione. La supercie osservata risulta relativamente omogenea e piuttosto piatta: la rugosità media è del- l'ordine di pochi nanometri. Si vedono delle regioni disturbate, sotto forma di linee orizzontali. Tali disturbi, che danno luogo a modulazioni periodiche

o quasi-periodiche, sono dovuti all'insorgenza di autoscillazioni che, di tanto in tanto, in seguito a uttuazioni casuali o a disturbi di altro genere (rumo- re meccanico o elettronico), il feedback non riesce a controllare mantenendo costante la distanza punta campione.

Il problema delle auto-oscillazioni è presente in ogni microscopia a scan- sione di sonda, dato che la strategia del feedback è caratteristica comune a tutte queste tecniche. Normalmente le auto-oscillazioni vengono evitate la- vorando sui tempi di risposta del sistema, oltre che sul guadagno del circuito di feedback. In sostanza, si tende ad aumentare i tempi di risposta per da- re suciente tempo al sistema per potersi stabilizzare durante la scansione. Tuttavia tempi di integrazione molto lunghi comportano una durata eccessiva della misura, con il rischio di diventare sensibili a tutte le derive termiche del sistema. Inoltre essi diminuiscono la sensibilità dello strumento, rendendolo meno pronto ad accorgersi di eventuali piccole (e localizzate) variazioni della topograa. Operativamente si cerca un compromesso: purtroppo nel caso della scansione considerata in gura tale compromesso si è rivelato non sem- pre ottimale, impedendo di avere informazioni su alcune linee della scansione, che quindi non vanno considerate.

La mappa dell'ampiezza corrispondente a questa scansione topograca, cioè la mappa del segnale prodotto dal lock-in che rappresenta l'ampiezza eettiva di oscillazione della sonda a bassa frequenza, non viene riportata, in quanto priva di dettagli (ciò è diretta conseguenza del fatto che il nostro strumento lavora ad ampiezza costante). Mostriamo invece in Fig. 7.10(b) la mappa dello sfasamento tra forzante e oscillazione della sonda, costruita anch'essa a partire dall'uscita (di fase) del lock-in. Questa mappa presen- ta delle strutture visibili, con dimensioni laterali dell'ordine di centinaia di nanometri, che in gran parte corrispondono a strutture topograche e sono dunque ascrivibili a irregolarità morfologiche della supercie. La Fig. 7.10(c) riporta l'ampiezza del segnale RF (ricordiamo che non si tratta di una ra- diofrequenza, ma che questa è solo la nostra denominazione convenzionale), cioè l'ampiezza dell'oscillazione al secondo modo essurale della tuning fork: l'immagine non sembra mostrare dettagli di rilievo, sono visibili piccole mo- dulazioni che, almeno in parte, potrebbero essere dovute a rumore (la scala riportata è in unità arbitrarie, ma l'ampiezza eettiva letta dal lock-in è del- l'ordine delle frazioni di mV). Invece la mappa della fase RF (lo sfasamento tra forzante e oscillazione al secondo modo essurale, Fig. 7.10(d)) mostra alcune strutture che corrispondono grosso modo (ma con contrasto diverso) a quelle osservate nella mappa di fase. Dunque anche in questo caso sembra esserci, nel canale di fase, sensibilità alle caratteristiche locali della supercie. Come si vede dalle Fig. 7.10(b) e Fig. 7.10(d), non appaiono a prima vista informazioni rilevanti sulla presenza ed eventuale distribuzione spaziale

dei domini viscoelastici. Un motivo potrebbe essere la disomogeneità su larga scala del valore medio della fase (sia per la bassa che per l'alta frequenza). Abbiamo cercato allora un modo per rimuovere queste disomogeneità su larga scala usando un ltro opportuno. Il ltro che si è dimostrato più ecace è una semplice derivazione punto per punto dell'immagine, detta anche ltro Laplaciano.

Figura 7.11: Mappe ottenute facendo il ltro Laplaciano delle immagini in Fig. 7.10. Si noti la diversa dimensione del marker rispetto alla Figura 7.10 dovuta al fatto che è stato eseguito uno zoom per evitare problemi ai bordi.

La Fig. 7.11 riporta il risultato di questo tipo di elaborazione per lo sfa- samento del modo fondamentale di oscillazione (Fig. 7.11 (a)) e del secondo modo essurale (Fig. 7.11 (b)). Stavolta accanto alle immagini non è ripor- tata alcuna scala, dato che, come già aermato, il dato rappresentato è una sorta di derivata, e quindi il signicato sico della sua grandezza non è ovvio. Inoltre nella rappresentazione abbiamo esaltato la dinamica e utilizzato una scala di colori a toni di grigio in modo da rendere più facilmente apprezzabili i dettagli. In queste immagini si osservano delle strutture che assomigliano a dei domini viscoelastici di forma allungata (a salsicciotto o a vermicello), ben diverse dal rumore di fondo: infatti il rumore dà generalmente luogo a modulazioni lungo la linea di scansione veloce (la direzione orizzontale delle gure, cioè l'asse x della scansione), mentre i salsicciotti hanno una lun- ghezza tale da attraversare diverse linee di scansione. Confrontando le due immagini di Fig. 7.11 si nota come normalmente le strutture si ritrovino in entrambe, così come atteso per strutture che hanno davvero a che fare con le variazioni locali di viscoelasticità. Apparentemente, poi, il contrasto si mostra maggiore nel caso della mappa creata a partire dalla fase RF, cir- costanza che sembra confermare l'utilità di impiegare due diverse frequenze di oscillazione. Potremmo in realtà aspettarci anche la presenza di strutture diverse nelle due mappe, per esempio legate alle speciche proprietà di rispo-

Figura 7.12: Mappe ottenute durante la scansione (2µm × 2µm) di un campione 20b80 a blocchi. Parametri di scansione: ω0 = 25, 410 kHz, A0 = 60 mV, ωRF = 149, 4 kHz, ARF = 80 mV, set point=30%. I pannelli si riferiscono a fase (a), e fase RF (b). Filtri eseguiti: atten, smooth, zoom e Laplaciano.

sta meccanica del campione a bassa e alta frequenza. Purtroppo, però, non possiamo fare aermazioni a questo proposito a causa dello scarso rapporto segnale/rumore.

Da ultimo si riporta in Fig. 7.12 un altro esempio di mappe acquisite du- rante la scansione di un campione dierente (PMA4/PMMA 20b80 a blocchi, spessore 550 nm) trattate allo stesso modo che in Fig. 7.11. I parametri di scansione sono riportati nella didascalia. In questo caso si vede come sia la mappa di fase del modo di oscillazione fondamentale a risultare più contrasta- ta e denita, suggerendo la presenza di strutture parzialmente aggrovigliate fra loro e di dimensioni laterali leggermente maggiori rispetto alle strutture osservate nella gura precedente. Anche se la quantità di informazioni rac- colte non permette di trarre conclusioni denitive, i nostri risultati mostrano che campioni di diverso tipo danno luogo a mappe di contrasto di fase con dettagli dierenti, come atteso considerando che la diversa composizione può condurre a strutture e morfologie dierenti.

Conclusioni

Questo elaborato riporta uno studio sperimentale che ha avuto come ar- gomento principale la scrittura ottica su scala locale di un particolare copoli- mero azobenzenico, un materiale fotoattivo pensato per creare supporti ottici di immagazzinamento dati (optical data storage) ad alta densità. Il materiale analizzato è un copolimero composto da PMMA e un polimero azobenzeni- co denominato PMA4, ovvero un polimero a base di polimetacrilato che ha come catene laterali una molecole azobenzeniche.

Questo studio ha dimostrato che il materiale fotoattivo impiegato viene ecacemente modicato da impulsi di radiazione con durata minima infe- riore al millisecondo. Le modiche indotte localmente, che riguardano in particolare la birifrangenza ottica, sono stabili almeno sulla scala tempora- le di diversi giorni. Prove sistematiche condotte con un microscopio ottico ordinario hanno consentito di paragonare il comportamento di campioni con diversa composizione e struttura e di individuare la dose di scrittura otti- male. In particolare, abbiamo dimostrato che l'ecienza della scrittura, sia in termini di contrasto sia in termini di persistenza nel tempo, è maggiore per i copolimeri a blocchi 20b80 e 10b90, i quali possono essere scritti già con uenze dell'ordine di 10−1 J/cm2, corrispondenti ad esempio a potenze

P=10 mW e durata dell'impulso ∆t=1 ms. Il copolimero random 10r90 pre- senta invece una scarsa tendenza ad essere scritto, soprattutto per impulsi di scrittura ∆t<10 ms e potenza P <1 mW. Inoltre abbiamo dimostrato che la temperatura di lavoro inuenza notevolmente la scrittura: già sopra 40◦C la

scrittura risulta non stabile e poco eciente.

Le misure condotte in campo ottico prossimo a modulazione di polariz- zazione (PM-SNOM) hanno dimostrato che è possibile indurre modiche di carattere altamente locale, su una scala spaziale non limitata dalla dira- zione. Le scritture in campo prossimo hanno modicato la birifrangenza del materiale producendo sfasamenti (ritardo ottico di birifrangenza) corri- spondenti tipicamente a qualche decimo di radiante. Tuttavia, la risoluzione spaziale di scrittura sul PMA4/PMMA a blocchi è limitata da un lato dal- le caratteristiche dello SNOM impiegato, dall'altro dall'esistenza di domini

di birifrangenza spontaneamente creati nel materiale. Questi domini hanno dimensioni che variano dalle decine al centinaio di nm e supponiamo siano legati alla natura a blocchi del composto.

Possibili ulteriori sviluppi di questa ricerca potranno indicare l'origine dei domini di birifrangenza. Inoltre l'uso di sonde di tipo diverso, ad esempio realizzate con punte piramidali da microscopio a forza atomica dotate di un'apertura apicale, potranno migliorare le caratteristiche dello strumento, la cui risoluzione spaziale è limitata dalle eettive dimensioni dell'apertura delle sonde a bra ottica nelle tipiche condizioni d'uso.

Inoltre è stata eettuata una caratterizzazione morfologica del materiale mediante un microscopio a forza atomica (AFM) a rivelazione non ottica in modalità di contatto intermittente (tapping mode) ed eccitazione bimodale. Questa analisi, che sfrutta il cosiddetto contrasto di fase, ha avuto lo scopo di rilevare sulla supercie dei campioni la presenza di domini a dierente com- portamento viscoelastico, così da determinare il grado di nanostrutturazione del lm sottile di copolimero. Anche con questa analisi abbiamo individuato domini dalle dimensioni nanometriche, in genere decine di nanometri, che potrebbero avere origine simile a quella dei nanodomini di birifrangenza.

Anche se la quantità di informazioni raccolte durante questo studio non permette di trarre conclusioni denitive sulla morfologia dei domini, i no- stri risultati hanno dimostrato che campioni di diverso tipo danno luogo a nanostrutturazioni di tipo dierente, come atteso considerando che la diver- sa composizione può inuenzare in modo determinante la conformazione dei domini.

Non abbiamo ancora la possibilità di determinare con precisione quale sia il legame tra la disomogeneità superciale delle proprietà meccaniche e quella delle proprietà ottiche, ma riteniamo che i risultati da noi ottenuti non siano del tutto indipendenti tra loro, in quanto lasciano supporre che discendano entrambi dalla particolare natura a blocchi del materiale.

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